超快放大技術知多少？

摘要：在脈衝激光的發展道路上，追求更快（更短的脈衝寬度），更高（更高的平均功率），更強（更強的峰值功率密度）一直是研究者們永恆的主題，而發展超快激光脈衝放大技術就是得到更強峰值功率激光脈衝的有效手段之一。

CPA (Chirped Pulse Amplification):

在追求激光更強峰值功率密度的道路上，起初大家就是把當時能得到的最短激光脈衝直接通過增益介質不斷放大，懟來懟去，一路馳騁。激光脈衝可達到的極限峰值功率密度迅速上升，但是很快遇到了瓶頸，原因在於，增益介質或者其他光學元件在過高的功率密度下會受到損傷。各位做過激光放大的同志應該沒少經歷過晶體鏡片打壞打穿的情況吧。

圖1：破碎的鈦寶石

而正是CPA技術的出現[1]打破了這個瓶頸，這無疑是激光技術發展的一個重要的里程碑。這裡放一張不知道被引用了多少次的圖，橫軸是時間，而縱軸是激光的峰值功率密度。

圖2：激光的峰值功率密度隨時間的發展[2]。作者是CPA的發明人Mourou。

遇到了峰值功率密度過大的問題，那麼很自然的想法就是不要讓峰值功率密度過大（笑）。其實是暫時不要讓峰值功率密度過大，通過這樣來保護光學元件。我們來看一個公式：

圖3：脈衝激光峰值功率密度的計算

維持脈衝能量不變的情況下，暫時把脈衝的時間寬度展寬，面積增大，這樣峰值功率密度不就降下來了嗎，自然也就避免了光學元件的損壞。只要最後還能把脈衝的時間寬度壓窄，面積聚小，峰值功率不就又上來了嗎！大道至簡，天才的想法總是看起來很簡單。

這讓我想起小時候，每次吃肯德基，我都很喜歡裡面的番茄醬，總是想要更多，吃不了還要兜著走，帶回家蘸別的東西吃。但是一個人去櫃檯，小姐姐只會給你一兩包。那個時候我就有個想法，如果我叫全班同學60人來，每個人去要2包，最後大家再都給我，這樣我一下子不就有120包了嗎！即使中間可能有的同學吃掉幾包，損耗個20包，也沒關係。峰值番茄醬密度直接從2到了100（雖然平均到每個人上的平均番茄醬密度沒怎麼變）！

圖4：童年的夢想

那麼關鍵就在於，激光脈衝的時間寬度可以被展寬嗎？展寬放大之後還能再壓縮回展寬前的脈衝寬度嗎？

事實上是可以的，因為飛秒激光脈衝通常會有很寬的光譜範圍，通過一些手段可以讓不同的光譜成分走過不同的距離，再把它們整合在一起。就像國慶閱兵隊伍中的一排，側面看去只有一個人，但其實一排有很多人，如果讓每個人前後錯開一點，那麼側面看上去會是很長的一列。

圖5：整齊劃一，令人讚歎的閱兵隊伍

通常這種不同光譜成分位於脈衝的不同時間部位的情況，叫做啁啾（chirp），這裡是借鑒了通信領域中的概念。而啁啾的本意，是形容鳥的叫聲婉轉，不同頻率的聲音在時間上先後分開。這裡就是不同頻率的光在時間上先後分開。

這種技術叫做chirped pulse amplification，啁啾脈衝放大，簡稱CPA。

通過前面的介紹，CPA系統通常由三部分組成，展寬器，放大器，壓縮器。

顧名思義，展寬器就是把飛秒激光脈衝的時間寬度展寬，通常展寬到數百皮秒乃至納秒量級。常用的方式有利用光柵的馬丁內茲型和奧弗納型展寬器，光纖激光器中常用啁啾光纖布拉格光柵（CFBG），對展寬量要求不高的情況下也有利用塊材料的色散來展寬或者用啁啾鏡展寬。

放大器因增益介質和重複頻率的不同，結構種類繁多，但作用都是將被展寬的脈衝進行能量提升，我們將在今後的文章里詳細討論，這裡不贅述了。

壓縮器的作用是把展寬並放大了的脈衝的脈寬壓縮回去，最常使用的就是光柵對壓縮器，可以使用透射光柵或反射光柵的搭建，展寬量不大的情況下也可以用稜鏡對或啁啾鏡來進行壓縮。

在CPA技術出現之後，激光放大由於峰值功率密度的瓶頸被突破，又得到了迅猛發展。我國在超快激光放大領域的研究中也一直處於國際前列，在2011年中科院物理所L07組率先實現了當時國際最高的1.16PW（1.16x1015W）峰值功率，而目前上海光學精密機械研究所也實現了目前國際最高的10PW峰值功率，並朝著100PW的目標邁進。

OPA (Optical Parametric Amplification):

一般激光放大過程的原理可以簡單總結為：當一束激光經過處於粒子數反轉狀態的增益介質時，在受激輻射的作用下，原有的光束得到放大。

這裡的能量是先從泵浦源傳遞到增益介質，使增益介質產生粒子數反轉，然後再從增益介質傳遞到被放大的激光。顯然，在傳遞過程中會產生不少的能量浪費。

然而，在非線性光學中，還存在著這樣一種能量傳遞方式。激光由於較高的功率密度在介質中會產生非線性效應，這種效應可以產生新頻率的激光或者使不同頻率的激光直接發生能量交換。只要通過匹配合適的條件，就可以把泵浦激光的能量通過非線性介質直接耦合到被放大激光中。這裡非線性介質只提供一個合適的非線性效應，能量直接從泵浦激光轉移到被放大激光中，沒有中間商賺取差價，效率自然高了很多。

這種介質不參與能量轉換的過程叫做參量過程，而利用這種參量過程來放大激光，就叫做光參量放大，optical parametric amplification，簡稱OPA。我們一般稱呼泵浦激光為泵浦光（pump），被放大激光叫做信號光（signal），在參量轉換過程中一般還會產生其他頻率的光，叫做閑頻光（idler）。

圖6：OPA示意圖。其中綠色為泵浦光，黃色為信號光，紅色為閑頻光。可以看到黃色光由暗淡變亮，得到了放大。

從原理上來講，OPA有著很多優勢，效率高、時間對比度高、支持寬光譜放大，可以同時支持較高的單脈衝能量和高平均功率。但是OPA對於泵浦光要求比較高，因為沒有中間層，泵浦光各項參數的好壞會嚴重影響信號光的放大，而且需要精細的角度和距離控制。除此之外，非線性晶體目前很難生長出大尺寸的產品，這樣也限制了光束口徑的大小。

相對的，普通的非參量放大的要求就沒那麼高，常用的說法就是把泵光和激光懟在晶體上就可以了。而且有不少激光晶體可以生長出很大尺寸的產品，這樣更進一步支持了大能量激光的放大。因為這些原因，目前在放大超大能量的飛秒激光脈衝的時候，還是使用普通的非參量放大作為最後幾級的主放大。

OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification)：

前面介紹了OPA和CPA兩種激光放大技術，實際上兩者並非毫無交集。如果在OPA即光參量放大前也進行脈衝展寬，在放大後再進行脈衝壓縮，那麼就可以兼顧兩种放大技術的優勢。這种放大技術叫做光參量啁啾脈衝放大，optical parametric chirped pulse amplification，簡稱OPCPA[3]。

由OPCPA放大的激光脈衝一般具有很高的時間對比度（基於參量放大過程的機理，大家可思考一下原因），常用作高對比度超強激光系統的前級。同時由於OPA過程具有很寬的光譜，某些情況下還自帶CEP鎖定的效果，可以實現平均功率數十瓦的千赫茲數太瓦輸出，也逐漸成為了目前阿秒科學研究中的利器。

參考文獻：

[1] Strickland, D., and G. Mourou."COMPRESSION OF AMPLIFIED CHIRPED OPTICAL PULSES." OpticsCommunications 55.3 (1985): 219-221.

[2] Mourou, G., et al."Exawatt-Zettawatt pulse generation and applications." OpticsCommunications 285.5 (2012): 720-724.

[3] Dubietis, A., G. Jonu?auskas, and A.Piskarskas. "Powerful femtosecond pulse generation by chirped andstretched pulse parametric amplification in BBO crystal." OpticsCommunications 88.4-6 (1992): 437-440.

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